利用電磁耦合實現(xiàn)水下無線能量傳輸-設(shè)計應(yīng)用

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千百年來，人類一直夢想著能實現(xiàn)在任何時間、任何地方、和任何人進(jìn)行任何方式的信息傳遞和交流。隨著科技的不斷發(fā)展，在陸地和空中的通信已經(jīng)得到了迅猛的發(fā)展，然而水下無線能量傳輸卻由于水聲信道的惡劣性而成為制約海陸空立體互連的瓶頸。因此，研究水下無線能量傳輸具有十分重要的意義。利用“深海抓斗”、“深海淺鉆”等海洋科考設(shè)備對其供電系統(tǒng)進(jìn)行改進(jìn)，以實現(xiàn)對水下設(shè)備的遠(yuǎn)程控制傳輸是本文的一個應(yīng)用創(chuàng)新點。無接觸的能量傳輸可以有效地避免因為電源插口外露、電纜拖曳斷裂帶來的安全隱患，提高系統(tǒng)的安全性，具有一定的實用價值。

1水下無線能量傳輸原理

根據(jù)麥克斯韋方程，變化的電場可以產(chǎn)生磁場，而變化的磁場又可以產(chǎn)生電場。本設(shè)計基于此基本原理，利用電磁耦合器件，實現(xiàn)電—磁—電的轉(zhuǎn)換，其中的磁是在水中傳播。同時針對水中電導(dǎo)率較大的情況進(jìn)行模型優(yōu)化。

2系統(tǒng)構(gòu)成

水下無線能量傳輸系統(tǒng)可分為三大部分：高頻逆變和后端的整流電路、控制電路及耦合器。高頻逆變和后端的整流電路可對控制信號進(jìn)行驅(qū)動放大用以控制逆變電源；控制電路可產(chǎn)生PWM控制信號，同時根據(jù)電路的狀況進(jìn)行過壓保護處理；耦合器是實現(xiàn)能量水下隔離傳輸?shù)闹攸c，其設(shè)計的好壞對傳輸效率有很大的影響。系統(tǒng)框圖如圖1所示。

2.1高頻逆變電路

本設(shè)計利用全橋整流電路而實現(xiàn)高頻逆變。為此，選用了MOSFET功率器件，能夠在MOS管發(fā)熱損耗較少的情況下，實現(xiàn)大功率的能量傳輸。MOS管的開關(guān)驅(qū)動電路由IR公司的驅(qū)動芯片與門級關(guān)斷鉗位電路組成。門級關(guān)斷鉗位電路是用兩級MOS管組成反相器。驅(qū)動電路的設(shè)計關(guān)鍵點是選擇自舉電容C1與上拉電阻R23。在Q13關(guān)斷時C1能被快速充電，開通Q14，把Q13的柵源極電壓控制在門級閾值電壓以下，所以C1與R23構(gòu)成的充電電路時間常數(shù)要小。在Q13、Q15開通時，Q14始終保持在閾值電壓以下，電容C1通過R23對橋的左邊放電，但Q13、Q15的電平仍然要保持在高電平，所以R23的阻值要大，C1值要小，以減小由D13、R23、Q15構(gòu)成的電路電流和減少自舉電源的功耗。在實際電路中采取犧牲輔助電源的部分功耗，R23選取500Ω，便能取得一個較好的效果。全橋MOS管驅(qū)動電路如圖2所示。

在Q14柵極上的R21、R22、R24、D11構(gòu)成電路對驅(qū)動電壓進(jìn)行防震蕩處理，D11加快電平下拉。D12、R24在門級鉗位電路中，當(dāng)Q13柵極上有毛刺且超過15V齊納而被擊穿時，起到保護Q14的效果。同時開關(guān)的13V電平跳變更加快速，Q值更高，可減少開關(guān)損耗。

2.2控制電路

本設(shè)計采用STM32F103VBT6為主控芯片。其自帶3通道的互補6路輸出定時器，選用其中2通道與DMA功能一起使用，能有效地實現(xiàn)輸出全橋PWM控制[2]，同時其自帶的多通道12位AD可以滿足系統(tǒng)的各種參量的測量需要。

實現(xiàn)過流過壓保護，可在左右臂的下臂接地處串接0.1Ω的康銅電阻，再用LTV274運放放大其兩端的電壓后，接到STM32的自帶12位AD腳進(jìn)行電流監(jiān)測。同理對輸入的直流電壓用電阻分壓后接到AD腳。當(dāng)檢測到超過預(yù)設(shè)值（電壓500V，電流3A），將關(guān)斷信號發(fā)送給兩片IR2110的DS端，關(guān)斷MOS管，并關(guān)閉輸入電源，直到電壓恢復(fù)到較低的水平（對應(yīng)的電壓10V,電流0.1A）后重新開啟系統(tǒng)。

2.3耦合器

耦合器的材料選取常用的變壓器材料有硅鋼、鎳鐵合金、鈷鐵合金、非晶體金屬合金及鐵氧體?？紤]到頻率比較高，而且是大功率傳輸，選取鐵氧體磁芯為設(shè)計材料。根據(jù)耦合器能量傳播的特點，要保證磁路是開放對稱的，以有利于能量的傳輸，選取實驗磁芯的外形有PC型、RM型、GU型，同時要考慮磁芯所能承受的功率，本文的功率為視在功率，是輸入輸出功率的和，而體積過小的磁芯進(jìn)行大功率傳輸將面臨磁芯溫升等問題。

3仿真與實驗結(jié)果

圖3所示為GU型磁芯，以及繞線、1/2水下截面的有限元進(jìn)行區(qū)域劃分后的狀況。其磁導(dǎo)率采用的參考文獻(xiàn)[4-5]的模型，取有球型進(jìn)行仿真。假設(shè)下端的磁芯為發(fā)射端，上端為接收端。仿真結(jié)果顯示了下端磁芯線圈在200V、100kHz電源作用下水中的磁場分布狀態(tài)。在大氣隙情況下，有比例大的磁力線未經(jīng)過次級線圈，所以效率必然較低。至此改變頻率、電壓、氣隙等參數(shù)，重新仿真直到結(jié)果。

圖4所示為輸入電壓對輸出效率和功率的影響，采用的是GU50磁芯，在水中輸入100V、100kHz電壓，氣隙為5mm。

圖5所示為在相同條件下，耦合磁性的電感進(jìn)行改變后的耦合輸出效率。

圖6所示為系統(tǒng)實物圖，圖中上方是驅(qū)動電路部分。電路工作時，直流電源由PIN進(jìn)入，經(jīng)過高頻逆變后，輸入至POUT到磁芯。采用PC74磁芯在約2cm的氣隙下點亮60W燈泡。

本文詳細(xì)論述電磁耦合的水下無線能量傳輸系統(tǒng)的設(shè)計。本系統(tǒng)經(jīng)過水下驗證，提供了一種較為先進(jìn)的測量手段。該系統(tǒng)利用在無線通信領(lǐng)域較先進(jìn)的擴頻通信技術(shù)、較完善的軟硬件設(shè)計，保證了系統(tǒng)工作的